應(yīng)力區(qū)巷道自鎖讓壓式錨桿應(yīng)用分析

武文軍

（大同煤礦集團同安煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 呂梁 033500）

1 巷道概況

大同煤礦集團同安煤業(yè)有限責(zé)任公司行人巷道西接行人石門及行人聯(lián)絡(luò)巷開口，其坐標為：X=4228 995.259，Y=563 081.868，Z=1 013.756，該巷北部30 m為4號層軌道大巷（未掘），南部、東部為實體區(qū)。開口位置南側(cè)7 m下伏9號層采空區(qū)。開口位置北側(cè)水平距離30 m有4號層采空區(qū)[1]。

巷道設(shè)計長度為1 200 m，巷道斷面規(guī)格為寬×高=5.0 m×4.0 m，巷道掘進煤層為山西組4號煤層，煤層平均厚度為7.56 m，施工巷道沿4號煤層底板平行掘進，預(yù)留頂煤厚度為3.56 m。

行人巷道采用綜合機械化掘進工藝，巷道掘進至620～690 m段共計揭露四條正斷層，斷層最大落差為1.4 m，最小落差為0.5 m，受斷層群影響巷道在620～690 m范圍內(nèi)頂板破碎相對嚴重，局部區(qū)域出現(xiàn)冒落現(xiàn)象[2]。

2 行人巷道原支護設(shè)計及問題分析

2.1 原支護設(shè)計

行人巷道原頂板主要采用錨桿鋼帶進行聯(lián)合支護，頂板錨桿每排布置6根，錨桿間排距為1.0 m，錨桿垂直頂板布置，錨桿采用長度為2.5 m，直徑為22 mm左旋無縱筋螺紋剛錨桿，采用加長錨固方式，錨固長度為0.95 m。

2.2 問題分析

2.2.1 使用錨桿支護長度不足

由于該工作面沿侏羅紀煤3-5號層平行掘進，而且巷道頂板的煤質(zhì)大多為泥巖，煤質(zhì)比較松軟，直接頂?shù)暮穸葹?.5 m，該巷使用長度為2 m的錨索，因此施工人員在頂板打入錨桿后，錨固端正好位于直接頂與基本頂離層間，造成直接頂與基本頂離層間的破碎巖體不能對錨桿產(chǎn)生有效支護[3]。

2.2.2 錨桿錨固效果差

傳統(tǒng)的支護方式是采用錨固劑對錨桿與圍巖進行連接，因此錨固效果越好，錨桿的支護能力越強，錨固劑能夠增大圍巖與錨桿的摩擦力，同時使錨桿自由段的拉力傳遞到圍巖深處，由于傳統(tǒng)錨桿大多數(shù)采用螺紋結(jié)構(gòu)，螺紋結(jié)構(gòu)不能有效地將自由段的拉力傳遞到圍巖深處。

2.2.3 錨桿變形嚴重

傳統(tǒng)的錨桿主要是將托板、鋼帶與螺母連接來對頂板進行支護，這種緊固方式雖然鋼性較大，且能夠與頂板之間連接，但當頂板來壓發(fā)生變形時，這種緊固方式不能讓壓力分解而是直接作用在連接機構(gòu)，造成錨桿變形。除此之外，當頂板變形嚴重時，錨桿桿體與螺母會由于受力不均而發(fā)生松動，當這種松動現(xiàn)象嚴重后，錨桿會在頂板剪切應(yīng)力的作用下逐漸失效，錨桿對頂板的支護由于達不到要求，頂板巖體隨即發(fā)生變形，造成整個區(qū)域的支護失效[4-5]。

3 自鎖讓壓式錨桿結(jié)構(gòu)原理

自鎖讓壓式錨桿是礦井最新使用的一種支護方式，該種錨桿不僅能夠在壓力較大的頂板區(qū)域有很好的支護與讓壓效果，而且自鎖讓壓式錨桿的制作成本較低，在頂板較破碎的巷道中起到了很好的支護效果。

自鎖讓壓式錨桿主要由以下部件組成：桿體、自鎖機構(gòu)、讓壓機構(gòu)、螺母、墊片。為了能夠增加錨桿的屈服強度，設(shè)計人員使用的螺紋鋼長度與直徑分別為3 m×2 mm，錨桿錨固端長度與螺紋端長度分別為1.2 m和0.1 m。自鎖機構(gòu)主要由以下部件組成：連接套、自鎖片、推桿、彈簧、螺紋套管。為了能夠增加支護效果，設(shè)計人員在每根錨桿上加裝5個自鎖機構(gòu)，自鎖機構(gòu)間的間距為0.3 m，如下頁圖1所示。讓壓機構(gòu)主要由以下部件組成：錨桿托盤、讓壓彈簧。錨桿托盤設(shè)計成直徑為25 mm鏤空半球形，同時在托板內(nèi)加裝讓壓彈簧。

圖1 人行巷道頂板破碎區(qū)自鎖讓壓式錨桿結(jié)構(gòu)剖面圖

4 自鎖讓壓式錨桿優(yōu)點

1）與傳統(tǒng)的支護工藝相比，自鎖讓壓式錨桿不僅結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本較低，而且后期能夠減少工作人員勞動強度。

2）與傳統(tǒng)的螺紋鋼錨桿支護工藝相比，新型支護錨桿能夠在相同屈服強度下增長錨桿長度，使得錨桿的錨固段能夠深深插入堅硬煤壁中，降低錨桿的失效率。

3）與傳統(tǒng)的支護工藝相比，自鎖機構(gòu)能夠使錨桿外露部分的拉力全部傳遞到錨固段，增加了錨桿對頂板的支護強度，防止頂板離層現(xiàn)象的發(fā)生。

4）自鎖讓壓式錨桿能夠在頂板破碎嚴重或離層時使讓壓機構(gòu)處于受壓狀態(tài)，由于錨桿能夠在頂板變形時發(fā)生讓壓耦合，從而降低頂板對錨桿的剪切，大大降低錨桿的失效率。

5 自鎖式讓壓式錨桿的應(yīng)用

自鎖讓壓式錨桿在施工前，首先工作人員要使用錨索鉆機在巷道頂板施工鉆孔，鉆孔深度與直徑分別為3.5 m和0.03 m，之后在錨桿桿體上安裝自鎖機構(gòu)，工作人員要在每排施工5個鉆孔，孔與孔之間的距離為1.2 m，且鉆孔與頂板要保持垂直。

之后施工人員要在每個鉆孔內(nèi)依次加裝35型、60型錨固劑及自鎖讓壓式錨桿，施工人員在錨固錨桿時必須一次到位，否則支護效果會大大下降，安裝完成后自鎖讓壓式錨桿外露長度不得大于0.1 m。

當每排5個鉆孔全部安裝后，施工人員在自鎖讓壓式錨桿的外露端加裝“JW”型鋼帶機讓壓機構(gòu)，之后用螺母進行固定，每根螺母的預(yù)緊力要大于150 N·m。

錨桿安裝完畢后自鎖機構(gòu)為閉合狀態(tài)，且機構(gòu)中安裝的自鎖片能夠緊緊鑲嵌于頂板煤壁內(nèi)。一旦頂板發(fā)生破碎或變形，讓壓機構(gòu)能夠使錨桿對變形頂板產(chǎn)生耦合讓壓效果，這樣就避免錨桿變形或失效。

6 自鎖式讓壓錨桿的應(yīng)用效果

在人行巷道掘進至640 m處，對頂板施工了自鎖式讓壓錨桿，截止2019年11月巷道已掘進至700 m處，通過對應(yīng)力區(qū)破碎帶頂板施工的自鎖式錨桿進行觀察分析發(fā)現(xiàn)，在破碎頂板區(qū)域掘進的20 d內(nèi)，頂板破碎變形情況比較嚴重，部分頂板出現(xiàn)下沉，在破碎頂板區(qū)域掘進的30 d內(nèi)，頂板下沉現(xiàn)象得到緩解，30 d后頂板下沉基本得到控制。使用這種支護錨桿不僅能夠使破碎頂板的變形現(xiàn)象得到緩解，還解決了傳統(tǒng)的支護錨桿無法讓壓耦合的現(xiàn)象；巷道采用自鎖式讓壓錨桿后，錨桿失效率由原來的8%降低為2%，全年可節(jié)約支護成本費用達42萬元，保證了破碎頂板穩(wěn)定性，取得了顯著應(yīng)用成效。